Massive MIMO廣播波束場景化研究*

2020-03-25 07:34:30彭東升王煜輝程曉東吳亞偉

通信技術 2020年1期

彭東升，王煜輝，程曉東，吳亞偉

（中國電信股份有限公司安徽分公司，安徽合肥 230031）

0 引言

隨著移動通信技術中無線數據業務的不斷增長，新技術的開發與研究日益趨熱，其中最有發展前景的技術之一——Massive MIMO技術提高了波束賦形能力，增加了數量級的頻譜效率和信道容量[1]，降低干擾的同時，提高了小區容量和覆蓋能力。

本文首先介紹Massive MIMO的理論基礎和性能，然后逐步測試在高樓、廣場、高干擾場景下不同MIMO配置模式對覆蓋的增益情況，總結針對不同場景選擇不同廣播波束應用方案，為Massive MIMO在現網中的應用提供借鑒、指導。

1 MIMO關鍵技術探討

Massive MIMO站點技術是多天線演進的一種高端形態，被業界公認為4.5G和5G網絡的關鍵技術之一。作為一種新的站點形態，Massive MIMO通過集成更多的射頻通道和天線實現三維精準波束賦形和多流多用戶復用技術，從而達到比傳統技術方案更好的覆蓋和更大的容量。Massive MIMO可以大幅度提升單站的容量和覆蓋能力，解決運營商在同城競爭中面臨的站址緊張、建站難、深度覆蓋難等痛點，同時大幅度提升單用戶流量滿足終端用戶對不同業務極致體驗的訴求。

1.1 Massive MIMO技術

Massive MIMO由Thomas L.Marzetta提出，作為一種多天線演進的高端形態，可實現精確的立體波束賦形，即水平面和垂直面均可以波束賦形，如圖1所示。

圖1 Massive MIMO立體波束

在基站天線數趨于無窮時，通常嚴重影響系統性能的熱噪聲和小區間干擾可以被忽略。Massive MIMO通過數量眾多的天線增加有用信號的功率，增加信干噪比（SIGNAL NOISE RATIO，SNR）來降低干擾的影響。同時，發送信號占用帶寬足夠小，信道近似平坦信道；MIMO信道容量隨著天線數目的增加而線性增大。通過集成更多的天線數和通道數，實現增強覆蓋和系統容量等目的[2]。

1.2 Massive MIMO和波束賦形的關系

Massive MIMO和波束賦形（Beam Forming，BF）二者相輔相成，缺一不可。Massive MIMO負責在發送端和接收端將越來越多的天線聚合起來；波束賦形負責將每個信號引導到終端接收器的最佳路徑上，提高信號強度，避免信號干擾，從而改善通信質量[3]。Massive MIMO可實現精確的立體波束賦形，即水平面和垂直面均可以波束賦形，覆蓋能力更強，尤其適合高層建筑、熱點宏覆蓋等場景。

Massive MIMO和波束賦形的優點：

（1）更精確的3D波束賦形，提升終端接收信號強度；

（2）同時同頻服務更多用戶（多用戶空分），提高網絡容量；

（3）有效減少小區間的干擾；

（4）更好地覆蓋遠端和近端的小區。

1.3 AAU形態

Massive MIMO采用射頻單元和天線單元合二為一的AAU形態，通過軟件和硬件相結合的方式，在水平和垂直維度形成3D波束。

天線的垂直波瓣寬度和下傾角決定了基站的覆蓋距離，而天線的水平波瓣寬度和方位角決定了覆蓋范圍。廣播波束是在廣播時隙形成，實現對整個小區的廣播。波瓣寬度的大小反映了天線的能量輻射集中程度，波瓣寬度越窄，天線主瓣能量越集中，旁瓣對周圍小區的干擾越小[4]。對于廣播信道全向賦形，全向天線的水平波瓣寬度均為360°；定向天線的常見水平波瓣寬度有30°、65°、90°和120°等多種。

1.4 廣播波束場景化

天線在不同模式配置下，不同數字方向角、數字下傾角配置下，增益波形差異明顯。

常見的3種場景如下：

（1）高樓場景：使用垂直面覆蓋比較寬的波束，提升垂直覆蓋范圍；

（2）廣場場景：近點使用寬波束，保證接入，遠點使用窄波束，提升覆蓋；

（3）小區間干擾場景：可以使用水平掃描范圍相對窄的波束，避免強干擾源。

可依據實際環境之需，根據周邊站點的站間距、疏密程度調整水平或垂直波寬來達到預期的覆蓋效果。目前，Massive MIMO廣播波束場景化配置加默認模式共計17種模式[5]，具體如表1所示。

表1 17種模式的相關參數

如何組合調整水平、垂直波寬，以達到場景的最優覆蓋，需要通過現網不同覆蓋場景下組合不同的調整方案，匯總測試結果，總結不同覆蓋場景下的最優調整組合。

2 MIMO技術現網測試

2.1 高樓場景測試方案

選擇有天線直接面對高樓覆蓋的場景進行測試，天線與被測試高樓之間無遮擋且距離適當。本次測試選取天鵝湖大酒店進行測試，如圖2所示。測試地點為客房樓層中部的窗戶旁邊，測試樓層為1、5、10、15、20、25。如圖3所示，測試終端占用第3小區，PCI（92）。由于現場條件限制，測試點無法完全正對天線。利用室外基站覆蓋高樓場景的難點在于高層的室內覆蓋，所以后續分析將主要關注高層的覆蓋效果。

圖2 測試位置

測試方法：對被測樓宇進行隔層測試，測試采用定點下行灌包的方式，單次測試時長1 min，最終以平均值統計結果。相關的測試方案如表2所示。測試結果1和測試結果2分別如表3和表4所示。

表2 測試方案

表3 測試結果1

表4 測試結果2

對于利用室外站點覆蓋高樓的場景來說，難點在于高層的覆蓋，對于中、低樓層的區別不是很大。所以，參數配置的重點應圍繞高層的覆蓋效果。正常來講，選擇垂直波寬25°是最佳選擇。同時，根據覆蓋地點與小區天線的夾角，確定最佳的方位角。在本次測試中，選擇水平波寬65°、垂直波寬25°達到了最佳效果，其他的類似場景可參考本次測試結果，如表5所示。

表5 高樓場景覆蓋模式

2.2 廣場場景測試方案

選擇有天線直接正對廣場覆蓋的場景進行測試，天線與被測試廣場之間無遮擋且距離適當。目前，選取火車站站前廣場進行測試。對廣場采用步測下行灌包的方式進行測試，最終以平均值統計結果。測試路線如圖3所示。

圖3 測試路線

不同覆蓋場景測試結果如表6所示。

在廣場場景區域，由于沒有明顯的建筑物遮擋，可盡量選取水平波寬較大的覆蓋類型。本次測試中，選擇場景SCENARIO_1時，SS-RSRP和SS-SINR都達到了最優值，大多數場景可考慮借鑒本次測試結果，如表7所示。

2.3 小區間干擾場景測試方案

選取站點較為密集的區域進行測試。目前，合肥市政府附近懷寧路與長河西路交口、政務區人防兩個站點已達到連片覆蓋，故選取合肥市政府附近進行測試。

表6 不同覆蓋場景測試結果

表7 廣場場景覆蓋模式

對合肥市政府附近進行DT測試，最終以平均值統計結果。由于合肥市政府東側的覆蓋較差，不利于本次的干擾場景驗證，所以最終測試路線如圖4所示。

圖4 測試路線

不同覆蓋場景測試結果如表8所示。

對于干擾較強的區域，在保證覆蓋沒有明顯惡化的前提下，可以考慮適當降低扇區的水平波寬來降低干擾，如表9所示。本次測試中，選擇場景SCENARIO_3時，在保證覆蓋沒有惡化的情況下，SSSINR達到最優，相對修改前平均提升了1.54 dB。

3 結語

Massive MIMO結合波束賦形技術可以針對不同場景選擇不同的廣播波束場景應用方案，同時設置相應的電子方位角和電子傾角，以有效優化覆蓋、提升用戶感知。但是，不同組合下天線的參數權值超過萬種，因此在5G的規劃、優化中，快速選擇正確的覆蓋方案能夠大大節約時間，減少錯誤。本次測試結果驗證并輸出了主要覆蓋場景的推薦覆蓋方案，如表10所示，可供大多數場景參考、借鑒，為5G時代的到來夯實基礎。